2018年4月28日，华东师范大学逸夫楼的礼堂里座无虚席，随着舞台上的“书”被翻开，环球首本面向中学生的人工智能教材《人工智能根本（高中版）》发布问世。

这本教材究竟是怎么出身的？艰深的人工智能知识，该通过若何的课程内容教给高中生？作为一门全新的课程，学生和老师们又对此作何感想呢？芥末堆在拿到教材后，对上述问题做了磋商。

九个章节都讲了什么？

这本教材的紧张目标，便是让高中生有机会对人工智能这一前沿技能初窥芳容。
据实行主编林达华透露，该教材着重于AI的基本思想、根本知识以及常用算法和工具的讲授，通过学习，中学学生可以具备AI运用的基本能力。

图片来源：商汤科技

AI这门学科包含了数学、物理等多学科知识，如何让零根本的高中生上手呢？

《人工智能根本（高中版）》在章节设计上，共有“人工智能：新时期的开启”、“牛刀小试：察异辨花”、“别具慧眼：识图认物”、“耳听八方：析赏音乐”等九章，一步步让学生理解AI的基本事理。

大略来说，九个章节的主线便是AI从监督学习到无监督学习、再到强化学习的过程，在难度和深度上循规蹈矩。
监督学习指AI须要人类先对数据进行标注，才能区分事物种别；无监督学习则更“聪明”，AI不须要人类标注信息，通过算法就能自动分类。

教材第一章从未来生活图景的开始，先容了AI发展简史、在各行业中的运用与机器学习的基本观点；第二章先容了AI对事物进行分类的机制；第三、四、五章分别先容了AI识别图像、音频、***的事理。
以上章节紧张侧重AI的监督学习，第六章开始引入AI无监督学习的观点，讲述了AI利用K均值算法来达到无师自通的效果；第七、八章则先容了主题模型、天生对抗网络这其余两种无监督学习方法；末了一章则在AI自我学习的根本上更进一步，利用AI围棋程序阿尔法元先容了强化学习的观点。

通过鸢尾花理解AI“脑回路”

那么，这本教材是如何先容人工智能事理的呢？我们以书中AI识别鸢尾花为例子来一探究竟。

鸢尾花（iris）的两个品种变色鸢尾（iris versicolor）和山鸢尾（iris setosa）有着形状和色彩相似的花瓣和萼片，一样平常来说，变色鸢尾花瓣较大，而山鸢尾花瓣较小。

（示例图片均来自教材）

AI识别两种鸢尾花，首先须要提取花的特色，然后再将特色数值输入演习好的分类器中，分类器根据特色做出预测，输出鸢尾花的品种。

首先，我们引入特色（feature）的观点，特色是指可以对事物某些方面特点进行刻画的数字或属性。
由于变色鸢尾和山鸢尾形状色彩相似但花瓣大小不一，以是我们利用其花瓣长度和宽度特色来区分品种。

丈量出的花瓣的长度和宽度，用x1，x2分别表示，（x1，x2）这组数据在数学中便是向量。
把描述一个事物的特色数值组织在一起，就形成了特色向量（feature vector）。
一朵鸢尾花的长度为1.1厘米，宽度为0.1厘米，这朵鸢尾花的特色就用（1.1，0.1）表示。

把特色向量在坐标系中标出，这些点被称为特色点（feature point），共同构成特色空间（feature space）。
至此，我们完成了AI识别的第一步特色提取。

从特色向量到终极预测种别，AI还须要一个函数，这个函数就叫分类器。
我们用+1和-1分别代表变色鸢尾和山鸢尾，再用一条直线0.5x1+x2-2=0来划分坐标系中的两个区域。

特色点（x1，x2）落在右上区域输出+1，代表变色鸢尾，落在左下区域输出-1，代表山鸢尾。
这个规则代表的分类器可以用以下函数表示：

以上这一分类器被成为线性分类器（linear classifier）。
演习线性分类器有两种常见的算法：感知器和支持向量机。

感知器（perceptron）通过被误分类的演习数据调度现有分类器的参数，不断减少误分类：

如下图所示，两条分类直线都能区分两种鸢尾花，谁更准确呢？

橙色阴影区域更宽，能区分更多的特色点，以是准确度更高。
而支持向量机（support vector machine,SVM）便是指特色空间上分类间隔最大的分类器。

分类器通过两种算法演习之后，还须要进行测试。
统计分类器分类精确的样本数与总数，可以得到一个分类准确率，准确率最高的分类器便是最优的分类器。

通过测试这一阶段，AI就能在人类输入鸢尾花花瓣长度和宽度的条件下，给出准确的分类结果。

我们用一个分类函数办理了二分类问题，除了区分一种种别中的两个分支，生活中我们还须要对多种种别进行分类，比如区分牡丹、荷花、梅花等。

在区分三种花的二分类函数f1,f2,f3根本上，教材还引入归一化指数函数的观点，将输出转化为概率。
借此，分类器不仅能见告我们这是牡丹还是梅花，还能见告我们有多大的概率它是牡丹或梅花。

通过以上这个AI识别花朵的例子，我们可以理解到AI对事物的分类过程，分为特色提取、分类器的演习和测试运用三部分。
AI的这个判断逻辑，在我们生活中已有许多实际运用的例子，比如相机中的人脸检测、医学中的癌细胞检测等。

教材难吗？高中生这么说

读到这里，想必读者对这本教材的内容和难度有了自己的感想熏染，那么高中生又是怎么想的呢？

随机采访了十几位学生对AI教材的意见。
在采访中，多数学生表示没听说过这本教材，学校也尚未开设干系课程。

在翻阅了AI教材之后，大部分受访学生表示难度还能接管。
清华附中一名高二学生说，“毕竟数学的东西不是很多，更多的是笔墨性的观点描述；而且它作为选修课，难度太大也弗成。
”北京一七一中学一逻辑学生表示，“教材总体难度觉得还行，不过学好它也不随意马虎，里面有涉及一些大学阶段才学到的知识。
”

但也有部分学生表示这本教材有一定寻衅性。
一名清华附中的学生认为，“乍一看看不太懂，还是有点博识，自学的话额外本钱会比较高，须要老师的辅导。
”北京二中一逻辑学生粗略地浏览完教材后说，“我觉得我看不太懂，即便有老师辅导也不大略，不过我还是很有兴趣去学。
”

教材截图

谈及AI教材，学生们基本持肯定态度，表示如果开设这门课程选修者该当不在少数。
清华附中一名正自学人工智能的高一学生说，“将来如果学习人工智能的话，我想在现阶段先学点根本，然后在大学系统性地学习，现在能供应一个机会还是挺好的。
”

对付该门教材的传授教化，一名受访学生将之与学校开设的信息选修课做了比拟：“我们学校信息课一样平常不用教材，学VB、Java时都是老师先把课件做好，再给我们讲。
类似地，我想AI的课上老师们也会发挥出自己的传授教化特色。
”由于AI是一门全新的课程，学生们均表示老师首先要接管一定的培训，然后再带学生一起学。

“要探索在标准之外，学生能走多远”

关于教材的难度，还咨询了一位对AI有一定理解的程序员。
该程序员认为，该教材缺少前置知识先容，直接上手的话对高中老师的哀求比较高；其次，教材中的很多知识大学才能学到，对普通学生来说还是有一定的难度。

在编写之初，编者在难度把控方面就有过辩论：如果先容AI的运作事理，彷佛过于艰深；只是科普性的先容而不涉及数学和算法，又显得太浅。
后来，编者达成了共识，将教材目标定位为通报人工智能的基本思想和理念，兴趣与知识并重，并以实践为导向。

对此，采访了编者之一、上海交大附中彭禹老师。
彭禹表示，“事理并非一定就很难，而观点先容也不一定大略；观点学习是所有学习的根本，观点理解也有深浅之分，一定程度上也依赖老师如何去阐释。
”

对付教材部分内容超纲的问题，彭禹阐明道，“实际上，国家课程标准这个‘纲’，只是最低的哀求，不能由于超纲就不学习了。
作为一名教诲者，还要探索在这个标准之外，学生还能走多远。
”

彭禹认为，“教材中涉及到一些高档数学的知识，但区分‘高中知识’和‘大学知识’并没有多大的意义，知识没有高中大学之分。
实际上，学生只要有初高中的代数知识和语文根本，就能读这本书，加上老师的辅导，我想弄懂它是不成问题的。
”

中国紧张在两个阶段讲授人工智能课程，一是入门科普先容，二是研究生期间专业化学习，中间短缺一个奠基和进阶。
彭禹表示，这本教材的紧张优点，便是以深入浅出的办法填补了这一空缺；由于还未推广落地开来，谈其缺陷还言之尚早。

一堂“手脑结合”的AI课

将来逐渐开设的人工智能教室，会是若何一番授课场景呢？

首先，人工智能观点的讲授是必不可少的根基。
对根本较为薄弱的高中生来说，弄懂各种观点并不随意马虎。
为了便于学生理解，这本教材中加入了大量详细的例子和图表，形象地描述观点知识。
教材在编写之初就定下规矩：“每一段话都必须自己撰写，每一幅传授教化示意图都必须自己设计。
”

打算机将小格子对应的颜色转化为数字矩阵像素点的运动方向转化为光流图

其次，教材穿插了大量的补充先容知识点，比如向量的基本运算、大略概率、和低级的优化思想等，便于学生学习。
实行主编林达华表示，学习本书的观点和知识并不须要很深的数学，通过数学知识点的补充，能够知足中学传授教化的需求。

向量间的卷积运算感知器学习算法

末了，通过思考谈论题和实验题，加深学生的理解。
由于AI这门学科运用性非常强，与其他传统教材不同，AI教材以“手脑结合”为紧张学习办法，每一章都有一个主线任务，勾引学生学习干系的知识的同时，让学生通过思考、谈论、实验练习，达到学甚至用的效果。

教材里的实验题

为合营全书22套实验，商汤科技还开拓了一个人工智能实验平台。
该平台选用在AI领域利用最广泛的Python措辞，支持深度学习模型演习和算法的定制扩展。
学生可利用该平台完成各种教室实验、作业、竞赛及自主创新项目。

编者彭禹表示，实验平台不是纯挚为了做实验，也不是培养搭积木般的动手能力，而是让学生通过实验理解AI背后一套繁芜的事理机制。
学生可以通过科学的实验方法和严谨的逻辑构造，明白AI不是故弄玄虚的事物。

在传授教化形式上，AI的教室紧张还是基于PBL(Project-Based Learning，基于项目学习)的办法来传授教化，学生AI项目的设计逻辑、完成度都可以作为评价标准。

未来人工智能传授教化体系第一块砖

据商汤科技先容，人工智能传授教化体系涵盖《人工智能根本》教材、教辅材料、西席培训与认证、传授教化实验平台、人工智能实验室和全国中小学生人工智能大赛六大模块。

未来三年，商汤科技希望和全国一、二线城市的50%以上的示范性高中将以《人工智能根本》为标准教材，开授人工智能课程。
同时还将面向学校供应的培训做事，包括人工智能根本课程西席培训、人工智能实验平台西席培训、智能机器人西席培训等。
商汤科技还将结合教材中的知识点，与华东师范大学、商务印书馆一道，在中小学开展人工智能西席培训、中小学人工智能实验室培植、聪慧校园培植等多个场景，对教诲行业进行赋能。

目前，上海市市西中学已经开始基于AI教材内容对学生进行授课。
而素有环球青少年科学竞赛的“天下杯”之美誉的国际科学与工程大奖赛(ISEF)，目前已经被人工智能这一学科霸占了40%。
可以看到，虽然AI教材离全面遍及还有很长的路要走，但AI一定是未来的发展方向，AI课程也将会各处着花。
这本教材，或许是构建未来人工智能传授教化体系的第一块砖。